5. Program od projektowania i symulacji oświetlenia drogowego (DIALux)

Program od projektowania i symulacji oświetlenia drogowego (DIALux)

Oświetlenie drogowe jest zagadnieniem równoległym z oświetleniem samochodowym, które posiada szereg zalet:

• • • wysoki poziom oświetlenia dla całej oświetlanej powierzchni
    • wysoka równomierność
    • oprawy nadążają za krzywizna drogi zapewniając poprawne prowadzenie wzrokowe kierowcy
    • mniejszy poziom olśnienia
    • niezmienność oświetlenia w czasie i przestrzeni

Największą wadą oświetlenia drogowego są wysokie koszty zarówno inwestycyjne jak i eksploatacyjne.

Aby oświetlenie było zaprojektowane optymalnie (kompromis kosztów oraz uzyskanych efektów) należy oprzeć się na kryteriach normalizacyjnych oraz zawartych w nich wymaganiach.

Wymagania dla poszczególnych klas oświetleniowych zostały zawarte w normie PN-EN 13201:2016 „Oświetlenie drogowe”. O wyborze klasy decyduje przeznaczenie obszaru drogi:

• • • Klasa M – główne odcinki dróg i ulic (kryteria luminancyjne)
    • Klasa C – obszary konfliktowe (kryteria natężeniowe)
    • Klasa P – obszary dla ruchu pieszych (kryteria natężeniowe)

Wymagane poziomy luminancji dla klasy M zostały przedstawione na rysunku nr 5.1. Analogiczne wymagania w zakresie natężenia oświetlenia dla klasy C i P zostały przedstawione na rysunkach nr 5.2 oraz 5.3.

O przypisaniu do poszczególnej kategorii w ramach przyjętych klas decyduje „sytuacja oświetleniowa” na drodze w postaci:

• • • natężenie ruchu
    • szybkości pojazdów
    • wykluczeni użytkownicy
    • trudności kierowania, skrzyżowania itp.

 Podsumowując:

Prawidłowy dobór klasy oświetleniowej jest bardzo istotny i stanowi podstawowe kryterium do projektowania oświetlenia ulicznego. Zaprojektowane oświetlenie powinno spełniać wymagania zawarte w przyjętej klasie oświetleniowej.

Projektowanie oświetlenia

Aby zaprojektować oświetlenie drogowe (z wykorzystaniem programu do wykonywania obliczeń i symulacji) należy wykonać następujące kroki:

• • • określić wymaganą klasę oświetleniową (M,C,P – oraz poziom klasy)
    • zdefiniować geometrie drogi (szerokość drogi, ilość pasów ruchu, elementy przyległe jak chodniki oraz ścieżki rowerowe itp.)
    • dobrać oprawy oświetleniowe (z wykorzystaniem katalogów producentów oświetlenia, gdzie są zawarte bryły fotometryczne możliwe do wczytania do programu symulacyjnego, dobór w oparciu o przeznaczenie opraw)
    • wybrać system oświetlenia drogowego (jednostronny, naprzeciwległy, naprzemianległy, w pasie dzielącym)
    • zaproponować geometrie instalacji (odstęp między latarniami, wysokość słupów, długości wysięgnika, kąty pochylenia opraw itp.) lub zaproponować serie zależności geometrycznych z ustalonym krokiem (np. odległość między oprawami od 10 do 50 metrów z krokiem co 1 metr, czyli 41 wariantów)
    • wykonać obliczenia i symulacje, która potwierdzi założenia projektowe
    • wygenerować kompletny projekt oświetlenia ulicznego

Jednym z wielu programów do projektowania i wizualizacji oświetlenia drogowego jest program DIALuxevo, którego najważniejsze zalety to:

• • • wersja bezpłatna (istnieje wersja rozszerzona płatna, lecz do skutecznego projektowania wystarczy podstawowa)
    • producenci opraw oświetleniowych przygotowują pliki brył fotometrycznych w standardzie odczytywanym przez program DIALux oraz zabiegają o to aby były łatwo aplikacyjne dla użytkownika
    • uznane narzędzie projektowe a wyniki obliczeń i symulacji wiarygodne

Interfejs programu DIALuxevo został pokazany na rysunku nr 5.4. Należy podkreślić, że jest to bardzo rozbudowane narzędzie umożliwiające tworzenie geometrii obszarów oświetlanych (również w oparciu o zaczytane dane z plików rysunkowych CAD), obiektów na drodze, przypisywanie tekstur, wykonywanie wizualizacji, definiowanie płaszczyzn obliczeniowych i wiele innych opcji. Ponadto istnieje prosty kreator, który pozwala na zaprojektowanie typowego układu drogowego, wczytanie opraw z katalogu  i wygenerowanie wyników. Niniejsze opracowanie skupia się na przedstawieniu przydatnych funkcji kreatora oświetlenia drogowego, które pozwalają na utworzenie prostego projektu.

Z szeregu dostępnych opcji należy wybrać: oświetlenie ulicy. Następnie do dyspozycji są między innymi opcje:

• • • ustawienia geometrii obszaru oświetlanego
    • wybór opraw
    • wybór geometrii instalacji
    • wygenerowanie wyników obliczeń
    • wygenerowanie projektu

Ustawienia geometrii obszaru oświetlanego

Na rysunku nr 5.5 pokazano interfejs wyboru oświetlanego obszaru. Dostępne opcje to przede wszystkim:

• • • zdefiniowanie nowej ulicy z przypisaniem nazwy
    • wybór norm jako kryterium projektowania
    • wybór składowych drogi oraz ich geometria (ulica, chodniki, ścieżki rowerowe itp.)
    • wybór współczynnika odbicia nawierzchni jezdni (projektowanie w oparciu o kryteria luminancyjne)
    • wybór konkretnych poziomów klas oświetleniowych dla zdefiniowanych obszarów

Należy wybrać utworzenie nowej ulicy (rysunek nr 5.6) oraz zdecydować, według jakiej normy będą prowadzone obliczenia i symulacje a także odniesione uzyskane wyniki (rysunek nr 5.7).

Następnym krokiem jest zdefiniowanie elementów składowych ulicy: jezdnia, chodnik, ścieżka rowerowa itp. Wybrane elementy są wizualizowane na obrazie ulicy (widok „z góry” lub „3D”) a także jest możliwość zmiany ich położenia (rysunek nr 5.8). W przykładzie wybrano: jezdnie, dwa chodniki oraz ścieżkę rowerową.

Następnie zmieniono lokalizację jednego z chodników (przeniesienie na drugą stronę jezdni) oraz ustalono parametry odbiciowe nawierzchni ulicy (ulica jest projektowana w oparciu o kryteria oceny luminancji, co zostało pokazane na rysunku nr 5.9.

Bardzo ważnym elementem jest właściwy dobór współczynnika odbicia nawierzchni drogi. Dla klas opartych na luminancji można zredukować ilość niezbędnego do spełnienia kryteriów światła (oszczędność energii elektrycznej) w przypadku wyboru jasnego asfaltu (np. klasy R1). Takie działanie wymaga jednak koordynacji projektanta oświetlenia oraz drogi. Projektant oświetlenia najczęściej nie posiada wiedzy o stopniu jasności nawierzchni drogowej, stąd najczęstszym wyborem jest rozwiązanie bezpieczne, czyli klasa R3 (asfalt średnio ciemny). Opieranie się na danych rzeczywistych pozwoliłoby na znaczne redukcje zużycia energii elektrycznej.

Następnie należy ustawić parametry geometryczne obszarów rozpoczynając np. od jezdni (szerokość, ilość pasów), co zostało pokazane na rysunku nr 5.10. Należy ponadto wybrać klasę oświetleniowa ( dobór realizuje projektant w oparciu o zapisy normatywne i dane dostarczone przez zarządcę drogi takie jak: prędkość pojazdów, natężenia ruchu, profil użytkowników drogi, dane niezbędne do planowania redukcji poziomu oświetlenia itp.), co zostało pokazane na rysunku nr 5.11

Na rysunku 5.12 pokazano ustawienie parametrów dla chodnika (szerokość, poziom, klasa oświetleniowa) oraz analogicznie dla ścieżki rowerowej (rysunek nr 5.13).

Wybór opraw

Należy zaimportować wybrana oprawę oświetleniową z katalogów producenta. Katalogi najczęściej maja podział funkcjonalny. Oprawy są zgrupowane zgodnie z rozsyłem światła (bryła fotometryczna adekwatna do oświetlanej powierzchni: drogi miejskie, zamiejskie, przejścia dla pieszych itp.). W każdej rodzinie opraw  istnieje szeroki zakres typoszeregu mocy (strumienia świetlnego). Wzrostowi szerokości ulicy oraz zwiększeniu odstępu między oprawami towarzyszy wzrost mocy opraw. Podczas projektowania oprawy są cyklicznie zmieniane aż do uzyskania spodziewanego efektu (spełnienie kryteriów, chyba że typ jest narzucony przez Inwestora). Wybór przykładowej oprawy (przeciągniecie wybranej oprawy na projekt) został przedstawiony na rysunku nr 5.14.

Do wyboru jest szereg opraw z różnych katalogów producentów oświetlenia, ze szczególnym uwzględnieniem renomowanych Firm specjalizujących się w oświetleniu drogowym (rysunek nr 5.15).

Dokonano wyboru przykładowej oprawy przeznaczonej dla dróg zamiejskich o stosunkowo dużej mocy, z uwagi na szeroki obszar oświetlany. Przykładowa oprawa Schreder Ampera Maxi oraz jej parametry w oknie umożliwiającym edycje zostały przedstawione na rysunkach nr 5.16 i 5.17.

Na rysunku nr 5.18 przedstawiono podgląd rozmieszczenia opraw w 3D dla standardowej geometrii (domyślnie wyświetlanej w programie)

W następnym kroku należy dokonać wyboru sposobu rozmieszczenia opraw oświetleniowych (rysunek 5.19).

Do dyspozycji mamy następujące systemy rozmieszczenia opraw oświetleniowych:

• • • jednostronny sposób rozmieszczenia opraw (po jednej lub drugiej stronie drogi) – system właściwy dla wąskich odcinków dróg i ulic, rysunek nr 5.20
    • naprzeciwległy – system właściwy dla ulic szerokich, z chodnikami, ścieżkami rowerowymi, rysunek nr 5.21
    • naprzemianległy – system właściwy dla szerszych ulic, jest kompromisem uwzględniającym niższe koszty instalacji, rysunek nr 5.22

Następnie należy zdefiniować geometrię instalacji (wysokości słupów, odstęp między nimi, odległości  i długość wysięgnika, kąt pochylenia oprawy i wiele innych parametrów) co zostało pokazane przykładowo na rysunku nr 5.23.

W przedstawianym przykładzie wybrany został system naprzeciwległy z uwagi na szeroki profil oświetlanego obszaru (jezdnia – 3 pasy, 2 chodniki oraz ścieżka rowerowa).

Wprowadzone zostają następujące parametry geometrii instalacji:

• • • Odległość pomiędzy latarniami (oprawami): przyjęta stała odległość, albo wybór wielu wariantów z założonego przedziału z wybranym skokiem (w przykładzie 10 – 50 m ze skokiem co 5 m)
    • Wysokość punktu świetlnego: wartość stała lub zmienna do wyliczeń (w przykładzie wybór stały 8m
    • Nachylenie wysięgnika (w przykładzie przyjęte 00)
    • Geometryczne ustawienie słupa i wysięgnika (odległości, nawisy, długości wysięgnika itp.)

Po wprowadzeniu założeń następuje wyliczenie wszystkich zdefiniowanych wariantów (9 opcji). Na rysunku 5.24 przedstawiono widok 3D instalacji wraz z wyświetlona siatką pomiarową oraz zdefiniowanymi parametrami geometrycznymi instalacji.

Program DIALuxevo umożliwia szereg zmian styli wizualnych celem jak najlepszego zaprezentowania efektu oświetleniowego, co zostało pokazane na rysunku nr 5.25.

W następnym kroku można obejrzeć wyniki symulacji dla założonych wariantów rozstawienia słupów (rysunek nr 5.26). Wyniki obliczeń wskazują na niespełnienie wymaganej klasy oświetleniowej (obszar oświetlany wydaje się być zbyt szeroki dla przyjętej oprawy oświetleniowej). Wymagana jest korekta ustawienia opraw oraz ewentualna zmiana oprawy.

Przedstawiony przykład uzmysławia, że proces projektowania jest zagadnieniem cyklicznym pracującym w pętli sprzężenia zwrotnego. Kiedy założone kryteria nie zostają spełnione niezbędna jest korekta ustawień instalacji, niekiedy wraz ze zmiana opraw na bardziej wydajne.

W kolejnym przykładzie przyjęto dla zdefiniowanego odcinka drogi (jezdni wraz z chodnikami i ścieżką rowerowa) nowe założenia:

• • • zmiana ilości wariantów obliczeniowych (skok odległości rozstawienia opraw co 2 m – 41 wariantów)
    • zmiana wysokości opraw na 14 m
    • przyjęto klasy oświetleniowe M2 (jezdnia) i P1 (chodniki i ścieżka rowerowa)

W kolejnym kroku następuje szukanie wariantu, który zagwarantuje spełnienie wymagań na wszystkich odcinkach symulacji. Nowe założenia zostały przedstawione na rysunku nr 5.27 natomiast wyniki symulacji dla wszystkich wariantów na rysunku nr 5.28.

Wygenerowanie dokumentacji technicznej projektu

Po wybraniu wariantu, który spełnia kryteria i wydaje się względnie optymalny następuje wygenerowanie dokumentacji technicznej projektu zawierającej:

• • • geometrie rozmieszczenia słupów oraz wizualizację przyjętego systemu rozmieszczenia opraw oświetleniowych – rysunek nr 5.29
    • wybraną oprawę oświetleniowa wraz z danymi katalogowymi – rysunek nr 5.30
    • geometrie słupa (wysokość, wysięgnik, nachylenie oprawy itp.) – rysunek nr 5.31
    • wyniki obliczeń wraz z odniesieniem do kryteriów normalizacyjnych (wyniki zawierają również wskaźniki energetyczne zdefiniowane w 5 części normy PN-EN13201:2016) – rysunek nr 5.32

W programie można ponadto zdefiniować wygenerowanie dodatkowych informacji, lecz omówione powyżej są podstawowymi.

Podsumowanie

Projektowanie polega na zmianach składowych systemu do momentu uzyskania zadawalających wyników (spełnienie stawianych kryteriów normalizacyjnych oraz Inwestorskich). Należy podkreślić, że najczęściej nie ma jednego wariantu spełniającego założenia projektowe. Wybór ostatecznego rozwiązania powinien być poprzedzony optymalizacją oraz wykonaniem kilku symulacji. Ostateczny wariant to taki, który uzyskuje zakładany efekt oświetleniowy z minimalnymi nakładami finansowymi. Dla przykładu na rysunku 5.33 przedstawiono zmianę jedynie systemu rozmieszczenia latarń z naprzeciwległego na naprzemianległy. Wygenerowane wyniki (rysunek nr 5.34) wskazują warianty, gdzie założenia projektowe są spełnione. Może to jest jednak wariant (nieco niższe koszty budowy instalacji) optymalny? O tym powinien świadomie zdecydować projektant oświetlenia.